Experiment 08: Aggregatzustände

Experiment 08: Aggregatzustände
einfach vorhanden (1x)
Stand: 17.03.2015 // v09
Phänomen
Feine, pulvrige Granulate zeigen ein erstaunliches Verhalten: Sie können schwingen, und
es können Luftblasen darin aufsteigen – wie in Flüssigkeiten. Dafür rieseln sie nur sehr
schwer, anders als grobkörnigere Granulate.
Material
• Acrylglasrohr, offen (befüllbar mit Wasser)
• Acrylglasrohr, gefüllt mit Sand (Quarzsand, Korngröße 0,1–0,4 mm)
• Acrylglasrohr, gefüllt mit feinem Glasgranulat (Glaskugeln, Korngröße < 50 µm)
und mit durchbohrtem Stopfen
Zusätzlich benötigtes Material
• optional: Lineal oder Zollstock, mind. 50 cm
Vorbereitung
Das offene Rohr zu ca. 80 % mit Wasser füllen (idealerweise destilliertes Wasser, um auf
Dauer Kalkablagerungen zu verhindern) und mit dem Stopfen verschließen.
Durchführung
1. Rieselfähigkeit: Die drei Rohre werden jeweils umgedreht und
auf dem Tisch abgestützt, damit sie vor Störungen (Vibration,
Wackeln) geschützt sind. Nach dem Aufrichten wird beobachtet,
wie die drei Stoffe sich nach unten bewegen.
◦ Wasser: fließt einfach hinunter
◦ Sand: rieselt herunter
◦ Glasgranulat: rieselt langsam und stockend hinunter
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2. Verdichtung: Nachdem alle drei Stoffe hinunter gerieselt bzw. geflossen sind, kann
untersucht werden, in wie weit sie sich verdichten lassen. Dazu wird zu Beginn vor
sichtig an die Seiten der Rohre geklopft.
◦ Wasser: lässt sich gar nicht verdichten
◦ Sand: reagiert sofort und sackt bei kleinsten Vibrationen sofort merklich zusam
men
◦ Glasgranulat: sackt langsam nach (von alleine, ca. 1 min)
unverdichtet
leicht verdichtet
stark verdichtet
3. Schwingfähigkeit: Für diesen Teil des Experiments müs
sen die Granulate in den Rohren erneut hinunter rieseln,
damit sie locker liegen (wie beim ersten Teil Rieselfähig
keit). Allerdings muss beim GlasgranulatRohr der durch
bohrte Stopfen oben sein. Danach wird beim Glasgranulat
Rohr der Metalldübel aus dem durchbohrten Stopfen ent
fernt (der Effekt ist auch bei geschlossenem Stopfen zu be
obachten, aber wesentlich schwächer, da die im Rohr ein
geschlossene Luftsäule bzw. der innere Druck die Schwin
gung stark dämpft; bei Sand und Wasser ist der Effekt nicht
zu beobachten, auch nicht bei geöffnetem Rohr). Die Rohre
werden geschüttelt oder leicht auf den Tisch geklopft, und
es wird beobachtet, wie sich die Inhalte verhalten.
◦ Wasser: schwingt überhaupt nicht nach
◦ Sand: schwingt überhaupt nicht nach
◦ Glasgranulat: schwingt nach, wie eine Feder
Das Schwingen der des Glasgranulats im Rohr kann besonders deutlich 'gespürt'
werden, wenn das GlasgranulatRohr in der Hand geschüttelt wird. Dieser Effekt
nimmt aber mit zunehmender Verdichtung ab.
Ebenso kann beim Schütteln beobachtet werden, wie sich im GlasgranulatRohr
Pulverfontänen bilden.
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4. Luftblasen: Wird das GlasgranulatRohr schräg gehalten,
können beim Herabrieseln Luftblasen beobachtet werden, die
im Granulat aufsteigen – ähnlich wie in einer Flüssigkeit.
Mögliche weitere Aktivitäten
• Untersuchen: Wie stark lässt sich der Sand verdichten? Mes
sen des Höhenunterschieds zwischen lockerer Packung (di
rekt nach dem Rieseln, ohne Absacken) und maximal ver
dichteter Packung und Errechnen des prozentualen Unter
schieds (zu beachten: der Sand füllt nicht das gesamte Rohr,
sondern geht nur bis zum Anfang des Stopfens).
• Hypothesen/Theoriebildung: Warum verhalten sich die unter
schiedlichen Materialien so?
Hinweise
Weiteres Glasgranulat ist in der Nachfüllflasche vorhanden.
Zusammenhang mit
–
Fachlicher Hintergrund
• Die Rieselfähigkeit ist ideal bei großen, trockenen Granulaten. Je gröber ein Gra
nulat ist, desto besser kann es rieseln. Ebenso wirkt der Feuchtigkeitsgehalt darauf
ein. Je trockener ein Granulat ist, desto besser kann es rieseln. Ab einer bestimm
ten Größenordnung (weniger als ca. 100 µm) sind die Pulver so fein, dass sie nicht
mehr ungehindert von der Luft durchströmt werden können und folglich schlechter
rieseln. Zusätzlich wirken bei feineren Pulvern molekulare Bindungskräfte (van der
Waals Kräfte), sowie elektrostatische Kräfte, die auch dazu führen, dass die Pulver
stärker aneinander haften.
•
Eine Verdichtung ist bei Wasser nicht möglich, da es inkompressibel ist. Der Sand
lässt sich schneller als das Glaspulver verdichten, da die Luft leichter aus den Zwi
schenräumen entweichen kann.
•
Die Schwingfähigkeit für das Glaspulver liegt darin begründet, dass sich im locker
liegenden Glaspulver Lufteinschlüsse zwischen den einzelnen Glasperlen befinden
(Luftzwischenräume). Diese sind kompressibel und für die Schwingfähigkeit verant
wortlich. Daher nimmt die Schwingfähigkeit auch mit zunehmender Verdichtung ab.
Der Sand schwingt nicht, weil die Luft nahezu ungehindert durch den Sand durch
strömen kann. Das Glaspulver ist so fein, dass es das Durchströmen der Luft behin
dert.
•
Die Luftblasen im GlasgranulatRohr entstehen, weil das Glaspulver begrenzt 'luft
dicht' ist (s.o.) und die Luft nicht zwischen den einzelnen Glasperlen ungehindert
hindurchströmen kann. Zusätzlich entwickeln Granulate bzw. Pulver unterhalb einer
bestimmten Korngröße (weniger als ca. 100 µm) Eigenschaften, die denen von
Flüssigkeiten ähnlich sind. Feine Granulate / Pulver zeigen Verhalten, die mit der
Oberflächenspannung vergleichbar sind. Es bilden sich Blasen darin, und wenn das
feine Granulat durch einen dünnen Trichter rieselt, dann bilden sich sogar Tropfen.
Das ist auch die Erklärung, wie die Fontänen beim Schütteln entstehen können.
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Feine Puder sind in vielen Industriezweigen von Bedeutung (z. B. als Pigmente für Farben
oder in der Kosmetikindustrie). Der Umgang und der Transport davon wird maßgeblich
durch seine besonderen Eigenschaften bestimmt. Bei solch feinen Pudern können Volumi
na nicht als Verkaufsmaß genutzt werden, weil die Dichte stark schwangt, abhängig da
von, wie sehr das Pulver geschüttelt bzw. verdichtet wurde. Deswegen werden feine Puder
immer als Masse bemessen.
Lagerhinweise / Instandhaltung
Damit Algenbildung und Trübung im Wasserrohr verhindert wird, sollte das Wasserrohr
nach dem Experimentieren immer entleert und offen gelagert werden.
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Anmerkungen
Sie haben weitere Ideen? Etwas ist Ihnen unklar? Ihnen ist etwas aufgefallen?
Melden Sie es zurück an joachim.haupt@fuberlin.de oder via www.niliphex.de
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